Couplage des processus hydrologiques reliant parcelles agricoles drainées, collecteurs enterrés et émissaire à surface libre : intégration à l'échelle du bassin versant - INRAE - Institut national de recherche pour l’agriculture, l’alimentation et l’environnement Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2010

(trad auto)Coupling of hydrological processes linking drained agricultural plots, underground collectors and free surface outfalls: integration at the scale of the catchment area

Couplage des processus hydrologiques reliant parcelles agricoles drainées, collecteurs enterrés et émissaire à surface libre : intégration à l'échelle du bassin versant

Hocine Henine

Résumé

During high flood events, the discharge of artificial sub-surface drainage system could be seen as a possible cause of inundation. However, experimental monitoring during flood events showed that several internal processes within drainage network are atypical in regard to their ideal design. These processes include network outlet submersion sub-surface pipe overpressure. The main objective of this Ph.D is to increase current knowledge on such atypical processes and to show, through experimentation and modeling, how their relationship (interaction between different media and spatial interactions) influence the hydrological behavior of artificially drained catchments. A field experiment carried out in at Goins (included in the Orgeval catchment, Seine-et-Marne, France) showed that different cases can be distinguished, depending on pipes network configuration. Some of them demonstrated a very low influence on inundation; whereas, others could have a stronger impact, even for low discharges. These cases would result in significantly limiting drainage discharges and modifying water table flows. Drain pressurization did not allow a normal water table drawdown. The modeling strategy consisted in taking into account the various flow processes in the water table and in the drainage network, and the interactions between these media, by introducing appropriate boundary conditions. The first interaction was between the outlet of buried pipe network and the open ditch. The second interaction was between water table and buried drains which could be either under free-water surface (normal behavior) or pressurized (influenced behavior) flow conditions. During this study, a model of water table (D2D) was developed with specific conditions allow to simulate drainage flows under the previously mentioned different situations. The water table model was coupled with a network model based on the one-dimensional equations of Saint-Venant (Elixir). The coupled model was calibrated and validated using experimental data. Its application showed that drains pressurization led to a temporary storage of infiltrated water into the soil profile. During this phase, soil acted as a buffer. The rise of the water table to the surface also allowed surface storage and runoff transfer. The coupled model was then applied on a hypothetical drained catchment to test the impact of the drainage design on its behavior. Scenarios with a network drainage system sized according to the rule of design, undersized and oversized were tested. Results show that undersized network reduces significantly the peak flow at the outlet, without disturbing significantly the time and depth of water table drawdown, two important parameters in agricultural practices.
En période de crue, le rejet des réseaux de drainage par tuyaux enterrés peut être perçu comme une cause possible d'inondations. Cependant, lors du suivi expérimental d'épisodes de crue les plus intenses, plusieurs processus internes aux réseaux de drainage et d'assainissement agricoles se sont révélés atypiques vis-à-vis du fonctionnement supposé idéal au moment de leur dimensionnement. Il s'agit notamment de la submersion du point de rejet du réseau et de la mise en charge des tuyaux. L'objectif principal de cette thèse consiste à renforcer les connaissances sur de tels processus atypiques et de montrer, par l'expérimentation et par la modélisation, comment leur articulation (interaction entre milieux différents et interactions spatiales) influence le comportement hydrologique des bassins versants drainés. L'expérimentation menée sur terrain (Site de Goins, inclus dans le bassin versant de l'Orgeval en Seine-et-Marne) a montré qu'on peut distinguer, selon la configuration des ouvrages, des cas de très faible influence et des cas au contraire d'influence forte, y compris pour de faibles débits. Cette influence peut induire de manière très nette une limitation des crues sortant de collecteurs drainés, voire modifier les écoulements dans la nappe drainée. La mise en charge des drains eux même ne permet plus un rabattement normal des nappes superficielles. En termes de modélisation, la stratégie suivie consiste à mettre en jeu les différents processus d'écoulement dans la nappe et dans le réseau de drainage, ainsi que les interactions entre ces milieux, par la définition de conditions aux limites adaptées. La première interaction se situe entre le point de rejet du réseau de tuyaux enterrés et le fossé à ciel ouvert, et la deuxième interaction se situe entre la nappe drainée et les drains enterrés et qui peuvent être à surface libre(comportement normal) ou en charge (comportement influencé). Dans le cadre de cette thèse, un modèle de nappe (D2D) à été développé avec des conditions particulières au niveau des drains lui permettant de simuler le drainage en tenant compte des différentes situations cités plus haut, et a été couplé à un modèle de réseau s'appuyant sur les équations de Saint-Venant monodimensionnelles (Elixir). Le modèle couplé a été calé et validé à partir des données expérimentales. L'application du modèle couplé a montré que la mise en charge des drains conduit à un stockage temporaire de l'eau infiltrée dans le sol. Durant cette phase de mise en charge des drains, ce dernier joue ainsi un rôle tampon. La remontée de la nappe à sa surface favorise également le stockage de surface puis le transfert par ruissellement de la pluie qui ne peut s'infiltrer. Le modèle couplé a été ensuite appliqué sur un bassin versant théorique pour tester l'impact du dimensionnement du réseau de drainage sur son comportement. Des scénarios avec un réseau de drainage dimensionné selon les règle de l'art, sous-dimensionné et surdimensionné ont été testés. Les résultats montrent qu'un réseau sous-dimensionné, permet de réduire significativement le débit de pointe à l'exutoire sans perturber notablement le temps et la profondeur de rabattement de la nappe, deux facteurs importants pour les pratiques agricoles.

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Citer

Hocine Henine. Couplage des processus hydrologiques reliant parcelles agricoles drainées, collecteurs enterrés et émissaire à surface libre : intégration à l'échelle du bassin versant. Sciences de l'environnement. Doctorat Hydrologie Science de l'Eau, Université Paris VI, 2010. Français. ⟨NNT : 2010PA066631⟩. ⟨tel-02594610⟩

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